含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置技術(shù)領(lǐng)域

《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》涉及一種脫鹽和廢水處理的方法與裝置，尤其是一種含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置 。

圖1為《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》所提供的含有保護(hù)水流的電去離子方法內(nèi)部構(gòu)造示意圖，圖中所示膜堆基本工作單元的數(shù)目為2；

圖2為圖1所述電去離子內(nèi)部構(gòu)造中，基本工作單元的離子遷移原理示意圖（以NiSO₄溶液為例）；

圖3為《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》所提供的含有保護(hù)水流的電去離子裝置剖面示意圖，

圖4為圖3所述含有保護(hù)水流的電去離子裝置的剖面分解示意圖，其中中空支撐邊框板只示出1張；

圖5為《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》所提供的一種實(shí)施例裝置的具體流程圖；

以上圖中：

1-陽(yáng)離子交換膜；2-陰離子交換膜；3-基本工作單元；4-陽(yáng)離子交換樹(shù)脂；5-陰離子交換樹(shù)脂；6-正極室；7-負(fù)極室；8-正極保護(hù)室；9-負(fù)極保護(hù)室；10-淡化室；11-濃縮室；12-保護(hù)室；13-淡水進(jìn)水；14-濃水進(jìn)水；15-保護(hù)水進(jìn)水；16-正極進(jìn)水；17-正極出水；18-負(fù)極進(jìn)水；19-負(fù)極出水；20-淡化產(chǎn)水；21-淡化產(chǎn)水分流；22-濃水循環(huán)水；23-濃縮產(chǎn)品水；24-保護(hù)水循環(huán)水；25-保護(hù)水分流；26-正極側(cè)夾緊板；27-負(fù)極側(cè)夾緊板；28-正電極板；29-負(fù)電極板；30-中空支撐邊框板；31-拉緊螺栓；32-螺母；33-淡水原水箱；34-截止閥；35-淡水泵；36-濃水循環(huán)泵；37-極水泵；38-保護(hù)水泵；39-壓力表；40-轉(zhuǎn)子流量計(jì)；41-濃縮水循環(huán)罐；42-保護(hù)水循環(huán)罐；43-極水循環(huán)罐；44-濃縮產(chǎn)品水罐；45-淡水產(chǎn)水收集罐；46-電去離子裝置

含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置專(zhuān)利目的

《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》的目的在于針對(duì)上述問(wèn)題和2009年EDI水處理技術(shù)的不足，提供一種能有效解決EDI膜堆中金屬氫氧化物結(jié)垢沉淀的新型EDI水處理方法與裝置?！逗斜Ｗo(hù)水流的電去離子方法與裝置》通過(guò)在常規(guī)的EDI膜堆中設(shè)置保護(hù)室，在其中引入保護(hù)水流，并采取特殊填充策略和水流運(yùn)行工藝，使得可能導(dǎo)致結(jié)垢的Ga² 、Mg2 硬度離子和重金屬離子無(wú)法與OH^-離子在膜堆內(nèi)部結(jié)合，從而避免結(jié)垢形成。這種新的EDI水處理工藝不僅可以使得在進(jìn)水硬度達(dá)到10毫克·L^-1時(shí)仍可穩(wěn)定制取電阻率17兆歐·厘米的超純水，也可針對(duì)含Ni² 、Cu² 等重金屬離子達(dá)上百毫克·L^-1的工業(yè)廢水進(jìn)行高效分離處理，過(guò)程運(yùn)行更為穩(wěn)定，EDI膜堆壽命顯著延長(zhǎng) 。

含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置技術(shù)方案

《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》是通過(guò)如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

在EDI膜堆的兩側(cè)分別設(shè)置正、負(fù)電極室及相應(yīng)的極水保護(hù)室，電極室與極水保護(hù)室之間用陽(yáng)離子交換膜隔開(kāi)。在極水保護(hù)室之間為按一定數(shù)目重復(fù)排列的膜堆基本工作單元。與傳統(tǒng)的電滲析（ED）和EDI技術(shù)中，每個(gè)基本工作單元均包括一個(gè)淡化室和一個(gè)濃縮室所不同的是，《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》中EDI膜堆的每個(gè)基本工作單元由正極方向到負(fù)極方向共包括三個(gè)隔室，即“淡化室-濃縮室-保護(hù)室”，依次排列。若干個(gè)這種三隔室基本工作單元重復(fù)排列，即構(gòu)成膜堆。三隔室基本工作單元中，濃縮室與保護(hù)室之間用陰離子交換膜隔開(kāi)，淡化室和濃縮室中均均勻填充混床樹(shù)脂，保護(hù)室中則分層填充樹(shù)脂。沿保護(hù)室的入水口到出水口的大部分樹(shù)脂床層中，填充的為陰離子交換樹(shù)脂；而在保護(hù)室中靠近出水口的少量樹(shù)脂床層中，填充的則是混床離子交換樹(shù)脂。在直流電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，淡化室水流中的陽(yáng)離子透過(guò)陽(yáng)離子交換膜，遷移進(jìn)入相鄰的濃縮室；陰離子則透過(guò)陰離子交換膜遷移進(jìn)入相鄰的保護(hù)室。在每一個(gè)基本工作單元中，淡化水和保護(hù)水的水流方向相同，處于這兩股水流之間的濃縮水流的流動(dòng)方向則與之相反，保護(hù)水流中不含有任何可與OH^-離子結(jié)合，生成金屬氫氧化物結(jié)垢的陽(yáng)離子。更進(jìn)一步地，保護(hù)水與濃縮水均采取部分循環(huán)工藝運(yùn)行。保護(hù)水的出水有少量分流進(jìn)入濃縮水循環(huán)系統(tǒng)，而淡化產(chǎn)水則有與之相等的水流分流進(jìn)入保護(hù)水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充；對(duì)于濃縮水循環(huán)系統(tǒng)，則有同等的水流量分流出，作為濃縮產(chǎn)品水。

根據(jù)上述水流運(yùn)行工藝，在運(yùn)行過(guò)程中并不需要額外的第三方水流作為保護(hù)水。保護(hù)水流是由極少量淡化出水分流而得，并在整個(gè)系統(tǒng)中循環(huán)運(yùn)行。除極水系統(tǒng)外，整個(gè)EDI運(yùn)行系統(tǒng)僅有一股進(jìn)水水流和兩股產(chǎn)水水流，即淡化原水、淡化產(chǎn)品水和濃縮產(chǎn)品水，后兩者的流量之和即等于淡化原水的流量。這三股水流的流量可根據(jù)需要任意調(diào)節(jié)，因此操作彈性大，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。

上述含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置，具有以下特征：

1、膜堆的每個(gè)基本工作單元中，從正極側(cè)到負(fù)極側(cè)，依次有淡化室、濃縮室和保護(hù)室三個(gè)隔室，淡化室與濃縮室之間用陽(yáng)離子交換膜分隔，濃縮室與保護(hù)室之間用陰離子交換膜分隔；

2、在淡化室、濃縮室及保護(hù)室中按照不同的填充策略均填充有離子交換樹(shù)脂，其中淡化室和濃縮室中均填充均勻混床樹(shù)脂，濃縮室所填充樹(shù)脂中，陰離子交換樹(shù)脂所占體積比為55-95％；保護(hù)室中樹(shù)脂床層分為上下兩部分，其中靠近進(jìn)水口的樹(shù)脂床層占到總樹(shù)脂床層體積的50-85％，且所填充樹(shù)脂均為陰離子交換樹(shù)脂，而靠近出水口的樹(shù)脂床層占到總樹(shù)脂床層體積的15-50％，且所填充樹(shù)脂為陰陽(yáng)混床樹(shù)脂；

3、在每一個(gè)三隔室基本工作單元中，淡化水與保護(hù)水的水流方向相同，并與濃縮水的水流方向相反；

4、濃縮水和保護(hù)水采取部分循環(huán)工藝運(yùn)行。由淡化產(chǎn)品水分出少量水流作為保護(hù)水補(bǔ)充水，保護(hù)水出水分出少量水流作為濃縮水補(bǔ)充水，濃縮水循環(huán)罐再分出少量水流則為濃縮產(chǎn)品水，且三股水流分流的流量相等，從而濃縮水循環(huán)罐、保護(hù)水循環(huán)罐中的水量在運(yùn)行過(guò)程中維持恒定。

《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》中，濃縮室中填充陰樹(shù)脂體積比55-95％的混床樹(shù)脂。一方面，與不填充樹(shù)脂的薄型隔室相比，在濃縮室中填充樹(shù)脂需要使用厚度增加的隔室。這使得金屬陽(yáng)離子在平行于電場(chǎng)方向上的遷移路徑顯著增長(zhǎng)；另一方面，濃縮室中過(guò)量的陰離子交換樹(shù)脂可在一定程度上阻止金屬陽(yáng)離子朝向負(fù)極方向的遷移，可使之更快地隨濃水流排出膜堆。此兩方面因素均顯著降低了金屬陽(yáng)離子與陰離子，包括OH^-離子結(jié)合的幾率，有利于阻止?jié)饪s室中形成結(jié)垢。此外，雖然濃縮室厚度較薄型隔室有所增大，但所填充的樹(shù)脂導(dǎo)電性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于濃水流的導(dǎo)電性能，這使得在一定條件下，填充樹(shù)脂的濃縮室的電阻并不會(huì)高于未填充樹(shù)脂的薄型濃縮室的電阻，甚至?xí)兴档?，從而不?huì)導(dǎo)致過(guò)程電能消耗的增大。

《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》中，保護(hù)室中樹(shù)脂床層分為上下兩部分，其中靠近進(jìn)水口的樹(shù)脂床層占到總樹(shù)脂床層體積的50-85％，且所填充樹(shù)脂均為陰離子交換樹(shù)脂。這可以促進(jìn)與保護(hù)室相鄰的下一個(gè)基本工作單元中的淡化室內(nèi)的鹽陰離子，在進(jìn)入保護(hù)室后進(jìn)一步遷移進(jìn)入濃縮室，從而實(shí)現(xiàn)陽(yáng)、陰離子的完整濃縮；而靠近出水口的樹(shù)脂床層占到總樹(shù)脂床層體積的15-50％，且所填充樹(shù)脂為陰、陽(yáng)混床樹(shù)脂。這部分樹(shù)脂床層中的陽(yáng)樹(shù)脂可針對(duì)性地抑制與該保護(hù)室相鄰的下一個(gè)基本工作單元中的淡化室內(nèi)，靠近出水口的陰離子交換膜表面發(fā)生劇烈水解離反應(yīng)的產(chǎn)物OH^-離子，在進(jìn)入保護(hù)室后，繼續(xù)朝向正極方向遷移而進(jìn)入濃縮室。這是因?yàn)?，?duì)于EDI過(guò)程而言，水解離總是在靠近淡化室出水口的離子交換膜和樹(shù)脂顆粒表面才劇烈發(fā)生；而在靠近淡化室的進(jìn)水口處，由于水流中陰陽(yáng)離子含量尚不是很低，水解離程度就相對(duì)較弱。

進(jìn)一步地，根據(jù)《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》，EDI膜堆中濃水流方向與保護(hù)水和淡水流的方向相反。這使得在每一個(gè)濃縮室中，由淡化室遷移進(jìn)入的金屬陽(yáng)離子將以最快速度被濃水流帶出膜堆，濃縮室中不會(huì)產(chǎn)生金屬陽(yáng)離子的累積現(xiàn)象；另外，淡化室中靠近出水口部位陰離子交換膜表面水解離產(chǎn)物之一，OH離子，將朝向正極方向遷移。在該方向上，淡化室與濃縮室之間有保護(hù)室將其分隔開(kāi)。進(jìn)入保護(hù)室的OH^-離子又將被同向水流的保護(hù)水流迅速帶出膜堆而不難以進(jìn)入前方的濃縮室。因此，在每個(gè)基本工作單元中，金屬陽(yáng)離子的最高濃度和OH^-離子的最高濃度不僅分別處于不同的隔室中（濃縮室和保護(hù)室），而且其水流方向相反。此外，淡化室中陽(yáng)離子交換膜表面發(fā)生水解離時(shí)，其產(chǎn)物之一，H 離子，將直接進(jìn)入與之相鄰的濃縮室，并隨著濃縮水流在濃縮室中逐漸累積，與金屬陽(yáng)離子一起被帶出膜堆。這使得金屬陽(yáng)離子濃度最高的部位，同樣也是H 離子濃度最高的部位。由于穩(wěn)態(tài)下，EDI淡化室中陰、陽(yáng)離子交換膜表面的水解離程度或者相當(dāng)，或者陰膜表面的水解離程度稍弱，因此即使有少量OH^-離子在進(jìn)入保護(hù)室后，繼續(xù)向前遷移進(jìn)入濃縮室，其數(shù)量也遠(yuǎn)不足以中和濃縮室中不斷累積的H 離子。這就保證了濃水流pH將穩(wěn)定地維持為弱酸性，從而杜絕了結(jié)垢形成。對(duì)于保護(hù)室而言，由于進(jìn)入保護(hù)室的水流不含任何可能結(jié)垢的金屬離子，因此同樣不會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢。

顯然，根據(jù)上述運(yùn)行工藝，隨著EDI系統(tǒng)的運(yùn)行，保護(hù)水循環(huán)罐中的pH值將逐漸升高，而濃縮水循環(huán)罐中的pH將持續(xù)降低。由于整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行并未加入任何其他化學(xué)品，因此在運(yùn)行一定時(shí)間后可將兩個(gè)循環(huán)水罐中的溶液適當(dāng)中和，混入淡水原水中。此后再注入新鮮保護(hù)水，則可恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行而不影響濃縮水的回收利用。由于保護(hù)水和濃縮水的循環(huán)液量可人為機(jī)動(dòng)控制，水量可大可小，因此其對(duì)淡水原水水質(zhì)波動(dòng)的影響也可控制在預(yù)定范圍內(nèi)。

根據(jù)上述含有保護(hù)水流的電去離子方法，實(shí)現(xiàn)該方法的電去離子裝置是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。電去離子裝置包括膜堆、電極裝置、夾緊支撐裝置和夾緊裝置四部分。夾緊裝置由兩塊夾緊板、拉緊螺栓與螺母組成；在兩張夾緊板的內(nèi)側(cè)分別是正、負(fù)電極室與電極板組成的正負(fù)電極裝置；根據(jù)處理原水的具體水質(zhì)，還可在正、負(fù)電極室的內(nèi)側(cè)再分別設(shè)置極室保護(hù)室；在正、負(fù)極室之間是由一定數(shù)目的矩形中空支撐邊框板構(gòu)成的夾緊支撐裝置；在中空支撐邊框板的中空腔體內(nèi)是膜堆。膜堆的基本單元依次由陰離子交換膜、淡化室隔板、陽(yáng)離子交換膜、濃縮室隔板、陰離子交換膜、保護(hù)室隔板各一張組成。并在淡化室中填充混床樹(shù)脂，濃縮室中填充陰樹(shù)脂體積比55-95％的混床樹(shù)脂，保護(hù)室中分層填充樹(shù)脂。膜堆可按需要組裝成一級(jí)一段或一級(jí)多段的構(gòu)型 。

含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置改善效果

《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》所述含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置，其優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）基于“淡化室-濃縮室-保護(hù)室”三隔室基本工作單元的的EDI膜堆構(gòu)造，以及各隔室中不同的樹(shù)脂填充策略、濃縮水與淡化水、保護(hù)水之間為逆流的水流運(yùn)行方式，杜絕了膜堆中可能的金屬氫氧化物結(jié)垢沉淀，從而顯著放寬了EDI的進(jìn)水條件，拓寬了這一水處理技術(shù)的應(yīng)用范圍；

（2）對(duì)于淡化水、濃縮水和保護(hù)水三股水流而言，整個(gè)EDI系統(tǒng)只需要淡水原水一股進(jìn)水，同時(shí)只有淡化產(chǎn)品水和濃縮產(chǎn)品水兩股出水，系統(tǒng)運(yùn)行更簡(jiǎn)便；

（3）EDI膜堆運(yùn)行過(guò)程中不需要使用阻垢劑，亦不需要進(jìn)行化學(xué)清洗，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省，無(wú)二次污染產(chǎn)生；

（4）將《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》提供的EDI方法與裝置用于純水制備，可以將上游的兩級(jí)RO系統(tǒng)減少為一級(jí)RO系統(tǒng)，從而使整個(gè)水處理系統(tǒng)投資和RO濃水排放量均減少40％以上；

（5）將《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》提供的EDI方法與裝置用于重金屬?gòu)U水處理，可以在高效、穩(wěn)定、清潔的條件下實(shí)現(xiàn)廢水的同步純化與濃縮，利于同時(shí)回收純水資源和有價(jià)金屬 。

電去離子（簡(jiǎn)稱(chēng)EDI），是在電滲析器的離子交換膜之間，主要是淡化室內(nèi)填充離子交換樹(shù)脂、將電滲析與離子交換有機(jī)結(jié)合起來(lái)的一種水處理技術(shù)。EDI裝置的核心部分是膜堆，一般由交替排列的陰、陽(yáng)離子交換膜，以及在膜間填充離子交換樹(shù)脂，從而構(gòu)成交替排列的淡化室和濃縮室組成。EDI運(yùn)行過(guò)程中所具有的淡化室水解離效應(yīng)，可使水分子解離為H 和OH離子，從而對(duì)填充的部分樹(shù)脂進(jìn)行就地直接再生，因此可同時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)除鹽及樹(shù)脂的連續(xù)再生，徹底免除了使用化學(xué)酸堿頻繁再生離子交換樹(shù)脂。EDI一般與反滲透（簡(jiǎn)稱(chēng)RO）等膜分離過(guò)程聯(lián)用構(gòu)成集成膜過(guò)程，將RO置于EDI的上游，預(yù)先除去有機(jī)物雜質(zhì)和約98％的無(wú)機(jī)離子，EDI則作為下游的深度除鹽手段而獲得高電阻率純水。因其高效、節(jié)能、環(huán)境友好等顯著優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已在超純水制備領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

然而，2009年前的EDI技術(shù)對(duì)進(jìn)水條件要求極為苛刻，其中核心的問(wèn)題在于，當(dāng)進(jìn)水硬度偏高時(shí)，膜堆內(nèi)部極易生成金屬氫氧化物結(jié)垢沉淀，從而導(dǎo)致難以逆轉(zhuǎn)的破壞性影響。這種結(jié)垢一般是由于進(jìn)水中Ca² 、Mg² 硬度離子與淡化室中水解離反應(yīng)產(chǎn)物之一的OH^-離子結(jié)合所致。為防止結(jié)垢生成，EDI要求進(jìn)水硬度不能超過(guò)1毫克·L^-1，很多商品EDI甚至要求進(jìn)水硬度不能超過(guò)0.5毫克·L^-1。如此嚴(yán)格的進(jìn)水條件對(duì)EDI上游的RO工藝同樣提出了嚴(yán)格要求，多數(shù)情況下都需要采用兩級(jí)RO作為EDI的預(yù)處理。就同樣的產(chǎn)水量而言，采用兩級(jí)RO的水處理系統(tǒng)投資是一級(jí)RO的2-3倍，排放的RO濃水量也是一級(jí)RO的2倍以上，這使得投資成本和運(yùn)行成本顯著提高，也在一定程度上限制了EDI水處理技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。因此，通過(guò)開(kāi)發(fā)新的EDI技術(shù)，放寬其對(duì)進(jìn)水條件的限制，使得更多的情況下僅使用一級(jí)RO作為預(yù)處理即可滿(mǎn)足要求，其意義十分重大。

2009年前的EDI技術(shù)，其結(jié)垢防治主要采用兩種辦法，一是向EDI的進(jìn)水中投加阻垢劑，另一則是調(diào)整水流的pH值，即采用加酸的辦法來(lái)防止結(jié)垢，或在結(jié)垢形成后再對(duì)EDI的隔室用酸進(jìn)行化學(xué)清洗。這兩種辦法額外增加了EDI的除鹽負(fù)擔(dān)，不利于獲得高品質(zhì)的純水；額外的化學(xué)藥劑進(jìn)入膜堆，也會(huì)降低EDI的電流效率和運(yùn)行效率，增加過(guò)程能耗，且易形成二次污染。

除純水制備以外，EDI以及一些改進(jìn)的EDI技術(shù)也開(kāi)始被嘗試用于含重金屬離子的廢水處理。與純水制備相比，所處理的原水不僅進(jìn)水濃度大幅增加，而且類(lèi)似于Cu² 、Ni2 、Pb2 等的重金屬離子更容易與OH^-離子生成結(jié)垢沉淀。因此，重金屬氫氧化物結(jié)垢防治問(wèn)題成為這一研究應(yīng)用方向需解決的核心問(wèn)題 。

1.一種含有保護(hù)水流的電去離子方法，通過(guò)在電去離子膜堆中設(shè)置保護(hù)室并在其中引入保護(hù)水流避免在膜堆中形成金屬氫氧化物結(jié)垢，其膜堆由若干個(gè)基本工作單元組成，其特征在于每個(gè)基本工作單元中，從正極側(cè)到負(fù)極側(cè)依次有淡化室、濃縮室和保護(hù)室三個(gè)隔室，淡化室與濃縮室之間用陽(yáng)離子交換膜分隔，濃縮室與保護(hù)室之間用陰離子交換膜分隔；在膜堆的淡化室、濃縮室和保護(hù)室中按以下策略進(jìn)行樹(shù)脂填充，即在淡化室和濃縮室中填充均勻混床樹(shù)脂，其中濃縮室中陰離子交換樹(shù)脂所占體積比為55-95％；保護(hù)室中樹(shù)脂床層分為上下兩部分，其中靠近進(jìn)水口的樹(shù)脂床層占到總樹(shù)脂床層體積的50-85％，且所填充樹(shù)脂均為陰離子交換樹(shù)脂，而靠近出水口的樹(shù)脂床層占到總樹(shù)脂床層體積的15-50％，且所填充樹(shù)脂為陰陽(yáng)混床樹(shù)脂。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有保護(hù)水流的電去離子方法，其特征還在于濃縮水和保護(hù)水流的運(yùn)行工藝為部分循環(huán)，且保護(hù)水補(bǔ)充水由淡化產(chǎn)品水分流提供，濃縮水補(bǔ)充水由保護(hù)水出水分流提供，濃縮產(chǎn)品水由濃縮水循環(huán)系統(tǒng)分流而得，且這三股分流的水流量均相等。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有保護(hù)水流的電去離子方法，其特征還在于每個(gè)膜堆基本工作單元中，淡化水與保護(hù)水的水流方向相同，并與濃縮水的水流方向相反。

4.一種含有保護(hù)水流的電去離子裝置，包括膜堆、電極裝置、夾緊支撐裝置和夾緊裝置四部分，其中膜堆由若干個(gè)重復(fù)排列的基本工作單元構(gòu)成，其特征在于每個(gè)基本工作單元從正極側(cè)到負(fù)極側(cè)依次有淡化室隔板、濃縮室隔板和保護(hù)室隔板共三個(gè)隔板，淡化室隔板與濃縮室隔板之間用陽(yáng)離子交換膜分隔，濃縮室隔板與保護(hù)室隔板之間用陰離子交換膜分隔；在膜堆的淡化室、濃縮室和保護(hù)室中按以下策略進(jìn)行樹(shù)脂填充，即在淡化室和濃縮室中填充均勻混床樹(shù)脂，其中濃縮室中陰離子交換樹(shù)脂所占體積比為55-95％；保護(hù)室中樹(shù)脂床層分為上下兩部分，其中靠近進(jìn)水口的樹(shù)脂床層占到總樹(shù)脂床層體積的50-85％，且所填充樹(shù)脂均為陰離子交換樹(shù)脂，而靠近出水口的樹(shù)脂床層占到總樹(shù)脂床層體積的15-50％，且所填充樹(shù)脂為陰陽(yáng)混床樹(shù)脂 。

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》作進(jìn)一步描述。

根據(jù)圖1所示，在膜堆兩側(cè)正負(fù)電極室后分別設(shè)置一張陽(yáng)離子交換膜及相應(yīng)水流隔板，構(gòu)成膜堆的極水保護(hù)室。正極保護(hù)室8的設(shè)置可以較好地防止正極反應(yīng)的有害氣體第一張陰離子交換膜的氧化破壞作用；負(fù)極保護(hù)室9的設(shè)置能夠避免陽(yáng)離子在陰極上的還原，并阻止負(fù)極反應(yīng)產(chǎn)生的OH^-向保護(hù)室遷移。

正極進(jìn)水16經(jīng)正極側(cè)下部進(jìn)入正極室6及正極保護(hù)室8，正極出水17在上部導(dǎo)出后經(jīng)膜堆外管路作為負(fù)極進(jìn)水18進(jìn)入負(fù)極室7及負(fù)極保護(hù)室9，負(fù)極出水19由負(fù)極上部導(dǎo)出進(jìn)入極水循環(huán)罐，在排除電極反應(yīng)產(chǎn)生的氣體后循環(huán)使用。電極水在電極室及極水保護(hù)室中的流向均為由下而上，這有利于電極反應(yīng)產(chǎn)生的氣體及時(shí)排出EDI膜堆。此外，水流由正極流向負(fù)極，可使呈酸性的正極出水進(jìn)入負(fù)極室后中和負(fù)極反應(yīng)產(chǎn)生的OH^-離子，以消除負(fù)極室的結(jié)垢。

根據(jù)圖1及圖2，每個(gè)膜堆基本工作單元3包括有淡化室10、濃縮室11和保護(hù)室12。淡水室10中的陰離子，如

SO₄^2-，在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，透過(guò)陰離子交換膜2向其左側(cè)相鄰的保護(hù)室12中遷移。淡化水流與保護(hù)水流為同向，在保護(hù)室的下部所填充樹(shù)脂均為陰離子交換樹(shù)脂，這可以增強(qiáng)陰離子的傳遞，使其繼續(xù)進(jìn)入濃縮室11中得到濃縮。在淡水出水口處，陰離子交換膜水解離的產(chǎn)物OH^-離子直接進(jìn)入保護(hù)室，即被保護(hù)水流迅速帶出EDI膜堆；又由于保護(hù)室上部填充樹(shù)脂為混床樹(shù)脂，這使得OH^-離子不能繼續(xù)進(jìn)入濃縮室10。對(duì)于淡化室10，其靠近出水口處陽(yáng)離子交換膜水解離的產(chǎn)物H 離子則直接進(jìn)入濃縮室10，并隨濃縮水流在濃縮室中累積，直至被排出膜堆。這使得整個(gè)濃水流從入口到出口均呈酸性，且酸性逐漸加強(qiáng)，避免了濃水室中結(jié)垢形成。進(jìn)入淡水室的重金屬離子，如Ni² 離子，在直流電場(chǎng)作用下，遷移進(jìn)入其右側(cè)的濃縮室，立即被水流方向相反的濃水流帶出膜堆。因此，濃縮室中不會(huì)形成重金屬陽(yáng)離子的累積。在濃縮水循環(huán)運(yùn)行的工藝條件下，整個(gè)濃縮室中的重金屬陽(yáng)離子濃度也較為均衡。

濃縮室11中填充的混床樹(shù)脂中，陰樹(shù)脂所占體積比大于50％。這使得從左側(cè)淡化室10遷移進(jìn)入的重金屬Ni² 離子，進(jìn)一步受到較多陰樹(shù)脂的阻礙，不能進(jìn)入保護(hù)室12。加之保護(hù)水流中不含任何可形成結(jié)垢的金屬陽(yáng)離子，因此保護(hù)室中也不會(huì)發(fā)生結(jié)垢。

根據(jù)圖5所提供的流程，淡水原水由淡水箱33經(jīng)淡水泵35進(jìn)入EDI裝置46，出水大部分收集至淡水產(chǎn)水罐45，極少量部分分流至保護(hù)水循環(huán)罐42。濃水進(jìn)水由濃水循環(huán)罐41經(jīng)濃水循環(huán)泵36進(jìn)入EDI裝置46，出水大部分返回至濃水循環(huán)罐42，極少部分作為產(chǎn)水收集至濃縮產(chǎn)品水罐44。保護(hù)水流經(jīng)保護(hù)水循環(huán)罐42經(jīng)保護(hù)水泵38進(jìn)入EDI裝置46，出水大部分返回至保護(hù)水循環(huán)罐42，極少量分流進(jìn)入濃水循環(huán)罐41。淡化產(chǎn)品水分流量、保護(hù)水分流量，濃縮產(chǎn)品水量均相等，其流量由相應(yīng)的截止閥34及轉(zhuǎn)子流量計(jì)40控制。運(yùn)行過(guò)程中濃縮水循環(huán)罐41和保護(hù)水循環(huán)罐42中的液位維持恒定 。

實(shí)施例1

該實(shí)例中，EDI裝置為一級(jí)一段結(jié)構(gòu)，含兩個(gè)基本工作單元，其剖面如圖3、4所示，用于處理含重金屬Ni² 離子濃度50毫克·L^-1的NiSO₄廢水。濃、淡水室和保護(hù)室隔板規(guī)格均為100*300*4毫米，極水隔板規(guī)格為100*300*0.9毫米，有效膜面積為160平方厘米。所用離子交換膜為異相低滲透EDI專(zhuān)用離子交換膜，由浙江千秋環(huán)保水處理有限公司生產(chǎn)；離子交換樹(shù)脂為D072和D296大孔強(qiáng)酸、強(qiáng)堿性樹(shù)脂。淡化室中陰、陽(yáng)樹(shù)脂的體積比為1∶1；濃縮室中陰、陽(yáng)體積比為2∶1；保護(hù)室下部75％樹(shù)脂床層填充的為陰樹(shù)脂，剩余上部25％樹(shù)脂床層填充混床樹(shù)脂，陰、陽(yáng)樹(shù)脂體積比為1∶2。

淡水原水箱33和濃縮水循環(huán)罐41中預(yù)先配置50毫克·L^-1的NiSO₄溶液，pH為4.25。電極水為質(zhì)量濃度0.3％的Na₂SO₄溶液。淡化水、濃縮水、電極水的流量分別為25L·h^-1、15L·h^-1和15L·h^-1，濃縮水產(chǎn)水、保護(hù)水分流及淡水分流流量均為0.36L·h^-1，膜堆工作電壓為15伏。淡化水及濃縮水中Ni² 濃度用火焰原子吸收分光光度法檢測(cè)。裝置穩(wěn)定運(yùn)行24小時(shí)，淡化產(chǎn)水水質(zhì)中Ni2 濃度均低于0.51毫克·L^-1，截留率為99％，而濃縮產(chǎn)品水的Ni2 離子的含量最終達(dá)到90001毫克·L^-1，濃縮倍數(shù)達(dá)到180 。

實(shí)施例2

該實(shí)施例中，EDI裝置采用一級(jí)兩段構(gòu)造，每段含兩個(gè)基本工作單元，用于制備高純水。所用樹(shù)脂為凝膠型001×7陽(yáng)樹(shù)脂和201×7陰樹(shù)脂。隔板規(guī)格、離子交換膜等均與實(shí)施例1相同，

淡水原水箱33、濃縮水循環(huán)罐41、極水罐43中預(yù)先用去離子水添加CaCl₂和MgCl₂的鹽溶液配置原液，其中Ca² 離子濃度為3毫克.L^-1、Mg² 離子濃度為1毫克.L^-1，總硬度為11.7毫克.L^-1。淡化水流量為40L.h^-1，進(jìn)入EDI膜堆的濃縮水、保護(hù)水、電極水的流量均為6L.h-1，三股分流的水流量均為1L·h^-1。膜堆在40伏的電壓下恒壓運(yùn)行。經(jīng)320小時(shí)運(yùn)行，淡化產(chǎn)品水電阻率在開(kāi)機(jī)后15小時(shí)內(nèi)逐漸升高到15兆歐.厘米，此后大部分時(shí)間內(nèi)均維持在16.5-17.0兆歐.厘米之間。

實(shí)施例表明，利用《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》所提供的含有保護(hù)水流的EDI方法與裝置，能夠在易形成金屬氫氧化物結(jié)垢的陽(yáng)離子濃度遠(yuǎn)高于2009年前EDI進(jìn)水指標(biāo)的條件下，EDI過(guò)程仍能高效、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。該新型EDI水處理技術(shù)在水的除鹽純化和工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用價(jià)值，可以大幅度降低水處理系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本，并有效地回收廢水中的有價(jià)金屬 。

2020年7月14日，《含有保護(hù)水流的電去離子方法與裝置》獲得第二十一屆中國(guó)專(zhuān)利獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng) 。

工作原理

電去離子(EDI)系統(tǒng)主要是在直流電場(chǎng)的作用下，通過(guò)隔板的水中電介質(zhì)離子發(fā)生定向移動(dòng)，利用交換膜對(duì)離子的選擇透過(guò)作用來(lái)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行提純的一種科學(xué)的水處理技術(shù)。電滲析器的一對(duì)電極之間，通常由陰膜，陽(yáng)膜和隔板(甲、乙)多組交替排列，構(gòu)成濃室和淡室(即陽(yáng)離子可透過(guò)陽(yáng)膜，陰離子可透過(guò)陰膜).淡室水中陽(yáng)離子向負(fù)極遷移透過(guò)陽(yáng)膜，被濃室中的陰膜截留;水中陰離子向正極方向遷移陰膜，被濃室中的陽(yáng)膜截留，這樣通過(guò)淡室的水中離子數(shù)逐漸減少，成為淡水，而濃室的水中，由于濃室的陰陽(yáng)離子不斷涌進(jìn)，電介質(zhì)離子濃度不斷升高，而成為濃水，從而達(dá)到淡化，提純，濃縮或精制的目的。

我國(guó)稱(chēng)電去離子凈水技術(shù)為填充床電滲析.核工業(yè)部原子能研究所、國(guó)家海洋局杭州水處理中心和742廠等一些單位,從70年代起,曾作過(guò)填充床電滲析試驗(yàn)裝置及相關(guān)技術(shù)的研究,也取得一些科研成果.但遺憾的是由于種種原因,使我國(guó)填充床電滲析技術(shù)停步不前,停滯了10多年,以致商品化的填充床電滲析器至今尚未面世.

EDI,除能連續(xù)出水外,一不需化學(xué)藥劑(酸、堿、鹽)再生,從而不污染環(huán)境;二可無(wú)人值守,從而為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化創(chuàng)造條件;三適應(yīng)性廣,從而可用于各行各業(yè)用水處理;四運(yùn)行成本低,經(jīng)濟(jì)性好,易于普及推廣.國(guó)外一些專(zhuān)家的論證與分析[3]表明,在當(dāng)今的水處理脫鹽系統(tǒng)中,采用反滲透(RO)與EDI組合工藝,可確保獲得最佳的水處理工藝性能,其經(jīng)濟(jì)性也不錯(cuò),為這種組合工藝的推廣,提供了良好的發(fā)展前景.

實(shí)用分析方法的要點(diǎn)描述如下:

1)將電去離子過(guò)程解體為電滲析過(guò)程和離子交換過(guò)程,它們彼此獨(dú)立,各受其所固有的規(guī)律所支配.它們兩者雖然都起從水中除去離子的作用,但是在電去離子過(guò)程中電滲析起真正清除掉離子的作用,而離子交換僅僅起去離子的中間過(guò)渡作用.

2)離子交換樹(shù)脂截留住離子,抑制了電滲析,使離子交換進(jìn)行;樹(shù)脂解吸出離子,抑制了離子交換,使電滲析進(jìn)行.以上兩點(diǎn),可形象地示意為:

電去離子樹(shù)脂 截留離子樹(shù)脂解吸離子電滲析↓ 離子交換↑電滲析↑ 離子交換↓

3)電滲過(guò)程中離子遷移速度由該離子在水溶液和膜中的遷移率而定.各種離子遷移率的大小決定離子從淡水室遷移至濃水室的離子濃度分布層譜.在直流電場(chǎng)作用下離子電滲析遷移的方向與離子受水流流動(dòng)挾帶運(yùn)動(dòng)的方向相垂直.因此,在淡水室中陰離子和陽(yáng)離子的濃度分布層譜分別偏向兩側(cè).

4)在電滲析出現(xiàn)濃差極化時(shí)會(huì)發(fā)生水的電離,它促使樹(shù)脂解吸.發(fā)生濃差極化的位置在水溶液和樹(shù)脂顆?；蚰ぶg的界面上,有隨機(jī)性.在樹(shù)脂顆粒表面界面層中發(fā)生水電離所生成的H 和OH-離子,能及時(shí)將鄰近失效樹(shù)脂再生;在膜表面界面層中發(fā)生水電離所產(chǎn)生的一種離子(H 或OH-)只是穿過(guò)膜,入濃水室,起電載體作用,不參與再生,另一種離子(OH-或H )作橫向遷移,參與再生.原有的離子電滲析濃度分布層譜會(huì)被這種隨機(jī)產(chǎn)生的水電離造成的樹(shù)脂解吸所破壞,并且會(huì)出現(xiàn)離子多次被樹(shù)脂解吸又吸附的現(xiàn)象.

5)離子交換反應(yīng)速度極快,遠(yuǎn)大于離子電滲析遷移速度,因此離子交換過(guò)程受擴(kuò)散因素控制.同時(shí),離子隨水流挾帶流動(dòng),水流不斷沖刷樹(shù)脂顆粒,使水中大部分離子在電滲析遷移出淡水室以前都被樹(shù)脂吸附截留住,以后再逐步解吸并電滲析遷移出淡水室而除去.可見(jiàn),在電去離子過(guò)程中,樹(shù)脂是轉(zhuǎn)運(yùn)離子的中間體.

6)電去離子過(guò)程中的離子交換應(yīng)遵守通常的柱內(nèi)離子交換層譜的分布規(guī)律[8]:在離子交換過(guò)程中,對(duì)某一種被吸附的離子,離子交換層可分為失效層、工作層和保護(hù)層;各離子層譜和先后置換的選擇性順序都根據(jù)它們與樹(shù)脂的親和力的大小而定.